摘要
随着汽车向以人为中心的生活空间演变，汽车与驾驶员之间的交互不再局限于简单的行车状态交互，而是逐步扩大至智能驾驶、资讯娱乐等方面。传统仪表已无法满足用户的安全、智能、沉浸式体验需求。在此背景下，抬头显示（Head-Up Display ，简称HUD）应运而生，它将行车状态、导航、辅助驾驶等信息直接投射在驾乘人员眼前，驾驶员无需切换视线就能获取行车状态等信息，缩减了盲驾时间，提高了驾驶安全系数。 如今，市场上主要存在的是风挡玻璃型 HUD（WHUD）和增强现实型 HUD（AR-HUD）。但是目前涉及到的车载 HUD 只能显示单一投影距离的虚像面。当驾驶者在改变车速进行观察时就需要调整目视焦距适配HUD投影距离，长时间高频次调整会导致驾驶者眼部疲劳。针对以上这种情况，本文开展车载双光路平视光学系统的设计，主要进行了以下研究： 第一，介绍了HUD的研究背景和发展历程，针对国内外学者关于HUD技术的研究进行了总结以及对比了四种不同的投影显示技术。研究了车载HUD成像原理以及光学系统的主要组成部分，针对双光路平视光学系统成像的特点选择了最佳的初始架构。根据光学系统的特性对自由曲面进行了论证与选型，介绍了光学系统的主要光学参数并阐述了光学系统设计的步骤。 第二，提出了双光路平视光学系统的设计指标，以市场上某个车厂提供的汽车前挡风玻璃为基础，借助 ZEMAX 软件搭建了光学系统架构，并通过改变光路物距设计并优化出离轴反射式车载双光路平视光学系统，实现了双焦面投影显示。其中，光源部分采用了投影画幅尺寸为5.74inch的DLP微投影光机，远投影光路的视场角为10°×3°，近投影光路的视场角4°×1°，虚像投影距离分别为3.8m和7.5m。对优化好的光学系统进行了像质评价，包括点列图、网格畸变、MTF曲线、动态视差、图像模拟等方面。 第三，在CATIA软件中绘制了防尘膜，并通过TracePro软件进行了光害仿真分析。通过对楔形角消除重影的理论分析在 ZEMAX 软件中建立了相应的模型，并计算出了双光路平视光学系统中汽车前挡风玻璃内部楔形角角度为0.401mrad。随后在TracePro软件中对太阳倒灌和其他杂散光进行了仿真分析。 第四，对优化好的双光路平视光学系统在 ZEMAX 软件中设置了各个光学元件装配参数的公差范围，并随机抽取了1000个蒙特卡罗样本进行初步分析。数据统计结果表明在空间截止频率4.421p/ mm处该光学系统90%以上的MTF大于0.63，验证了实际生产和装配过程中的容差范围。最后，通过试验台架对加工出来的样机进行了粗略的验证。
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